DE102009048868B4

DE102009048868B4 - Production method of SiC bulk single crystal by a thermal treatment and low-resistance SiC single-crystal substrate

Info

Publication number: DE102009048868B4
Application number: DE102009048868A
Authority: DE
Inventors: Dr. Straubinger Thomas; Dr. Vogel Michael; Dr. Wohlfart Andreas
Original assignee: Sicrystal AG
Current assignee: Sicrystal GmbH
Priority date: 2009-10-09
Filing date: 2009-10-09
Publication date: 2013-01-03
Anticipated expiration: 2029-10-10
Also published as: US20110086213A1; DE102009048868A1

Abstract

Verfahren zur Herstellung eines SiC-Volumeneinkristalls (2), wobei a) der SiC-Volumeneinkristall (2) bei einer Züchtungstemperatur von bis zu 2200°C mittels eines Sublimationszüchtungsverfahrens hergestellt wird, b) der SiC-Volumeneinkristall (2) nach der Sublimationszüchtung thermisch nachbehandelt wird, wobei er auf eine Nachbehandlungstemperatur, die höher ist als die Züchtungstemperatur, gebracht wird, und c) der SiC-Volumeneinkristall (2) vor der thermischen Nachbehandlung innerhalb eines SiC-Pulvers (19) platziert wird, und während der thermischen Nachbehandlung vollständig von dem SiC-Pulver (19) umgeben ist.A method of producing a SiC bulk single crystal (2), wherein a) the SiC bulk single crystal (2) is prepared at a growth temperature of up to 2200 ° C by a sublimation growing method, b) the SiC bulk single crystal (2) is thermally post-sublimated being placed at an after-treatment temperature higher than the growth temperature, and c) the SiC bulk single crystal (2) is placed within a SiC powder (19) before the thermal post-treatment, and completely during the thermal post-treatment surrounded by the SiC powder (19).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines SiC-Volumeneinkristalls sowie ein einkristallines SiC-Substrat.The invention relates to a method for producing a SiC bulk single crystal and a monocrystalline SiC substrate.

Das Halbleitermaterial Siliziumcarbid (SiC) wird aufgrund seiner herausragenden physikalischen, chemischen, elektrischen und optischen Eigenschaften unter anderem auch als Ausgangsmaterial für leistungselektronische Halbleiterbauelemente, für Hochfrequenzbauelemente und für spezielle lichtgebende Halbleiterbauelemente eingesetzt. Für diese Bauelemente werden SiC-Substrate (= SiC-Wafer) mit möglichst großem Substratdurchmesser, mit möglichst hoher Qualität und auch möglichst niedrigem elektrischen Widerstand benötigt. Basis hierfür sind hochwertige SiC-Volumeneinkristalle.Due to its outstanding physical, chemical, electrical and optical properties, the semiconductor material silicon carbide (SiC) is also used, inter alia, as a starting material for power electronic semiconductor components, for high-frequency components and for special light-emitting semiconductor components. For these components SiC substrates (= SiC wafers) with the largest possible substrate diameter, with the highest possible quality and lowest possible electrical resistance needed. The basis for this are high quality SiC bulk single crystals.

Solche SiC-Volumeneinkristalle werden in der Regel mittels physikalischer Gasphasenabscheidung, insbesondere mittels eines z. B. in der US 6,773,505 B2 und in der DE 199 31 332 C2 beschriebenen Sublimationsverfahrens, hergestellt. Aus diesen SiC-Volumeneinkristallen werden die scheibenförmigen einkristallinen SiC-Substrate herausgeschnitten, die dann im Rahmen der Bauelementefertigung mit mindestens einer insbesondere auch aus SiC bestehenden Epitaxieschicht versehen werden. In der Regel werden Defekte aus dem SiC-Substrat in die aufgebrachte Epitaxieschicht vererbt und führen damit zu einer Verschlechterung der Bauelementeeigenschaften. Die Qualität der Bauelemente hängt also wesentlich von der des gezüchteten SiC-Volumeneinkristalls und der daraus gewonnenen SiC-Substrate ab.Such SiC bulk single crystals are usually by means of physical vapor deposition, in particular by means of a z. B. in the US 6,773,505 B2 and in the DE 199 31 332 C2 described sublimation process prepared. From these bulk SiC crystals, the disk-shaped monocrystalline SiC substrates are cut out, which are then provided in the context of component manufacturing with at least one particular of SiC existing epitaxial layer. As a rule, defects from the SiC substrate are inherited in the applied epitaxial layer and thus lead to a deterioration of the component properties. The quality of the components thus depends essentially on that of the grown SiC bulk single crystal and the SiC substrates obtained therefrom.

Um ein SiC-Substrat mit niedrigem elektrischen Widerstand herzustellen, wird während der Gasphasenabscheidung zur Herstellung des SiC-Volumeneinkristalls der SiC-Wachstumsgasphase ein Dotierstoffgas, beispielsweise Stickstoff (N₂), zugesetzt. Mit steigendem Stickstoffgehalt in der SiC-Wachstumsgasphase erniedrigt sich der elektrische Widerstand des aufwachsenden SiC-Volumeneinkristalls. Dem sind aber Grenzen gesetzt. Nach Abschluss der Sublimationszüchtung entstehen aufgrund des im aufgewachsenen SiC-Volumeneinkristall zwangsläufig vorhandenen axialen Temperaturgradienten mechanische Spannungen, die während der Abkühlphase nur teilweise über Versetzungsbildungen und/oder Versetzungsbewegungen ausgeglichen werden. Mit steigendem Stickstoffanteil werden diese ausgleichenden Versetzungsbewegungen immer stärker behindert, so dass die Neigung zur Rissbildung bei der nachfolgenden Weiterbearbeitung des SiC-Volumeneinkristalls bzw. der daraus hergestellten SiC-Substrate mit dem Stickstoffgehalt steigt. Um diese unerwünschte Rissbildung zu vermeiden, haben derzeitige SiC-Substrate einen Stickstoffgehalt, der zu einem spezifischen elektrischen Widerstand von etwa mindestens 24 mΩcm führt.In order to produce a low electrical resistance SiC substrate, a dopant gas, for example nitrogen (N ₂ ), is added to the SiC growth gas phase during the vapor deposition to produce the SiC bulk single crystal. With increasing nitrogen content in the SiC growth gas phase, the electrical resistance of the growing SiC bulk single crystal decreases. But there are limits. After completion of the Sublimationszüchtung arise due to the inevitable existing in the grown SiC bulk single axial temperature gradient mechanical stresses that are only partially compensated during the Abkühlphase via Versetzungsbildungen and / or dislocation movements. As the proportion of nitrogen increases, these compensatory dislocation movements are increasingly hindered, so that the tendency for crack formation in subsequent processing of the SiC bulk monocrystal or the SiC substrates produced therefrom with the nitrogen content increases. To avoid this undesirable cracking, current SiC substrates have a nitrogen content that results in a resistivity of at least about 24 mΩcm.

In der WO 2006/041 660 A2 , JP 2004 131 328 A , JP 2008 103 650 A , JP 2006 290 705 A und WO 2009/003 100 A1 werden jeweils Verfahren zur thermischen Nachbehandlung eines sublimationsgezüchteten SiC-Volumeneinkristalls bzw. von Substratscheiben, die von einem derartigen SiC-Volumeneinkristall heruntergesägt worden sind, beschrieben. Die Temperaturen dieser thermischen Nachbehandlungen liegen jeweils um etwa 2.000°C oder darüber. Damit sind diese Nachbehandlungstemperaturen zumindest teilweise auch höher als die während der Sublimationszüchtung herrschende Züchtungstemperatur.In the WO 2006/041 660 A2 . JP 2004 131 328 A . JP 2008 103 650 A . JP 2006 290 705 A and WO 2009/003 100 A1 For example, processes for thermal post-treatment of a sublimation-grown SiC bulk single crystal and substrate slices respectively cut down from such SiC bulk single crystal will be described. The temperatures of these thermal aftertreatments are each about 2,000 ° C or above. Thus, these post-treatment temperatures are at least partially higher than the breeding temperature prevailing during the sublimation breeding.

In dem Fachartikel von H.-J. Rost et al. „Influence of nitrogen doping an the properties of 4H-SiC single crystals grown by physical vapor transport”, Journal of Crystal Growth 257, 2003, Seiten 75 bis 83 wird eine Untersuchung an 4H-SiC-Einkristallen beschrieben, die eine starke Stickstoffdotierung aufweisen. Als nachteilig wird die bei derartigen Konzentrationen vergrößerte Welligkeit des SiC-Substrats und auch eine verhältnismäßig starke Anisotropie des spezifischen elektrischen Widerstands angegeben.In the article by H.-J. Rost et al. Journal of Crystal Growth 257, 2003, pages 75 to 83 describes a study on 4H-SiC single crystals that have a strong nitrogen doping. A disadvantage is the increased ripple of the SiC substrate at such concentrations and also a relatively high anisotropy of the specific electrical resistance.

Die Aufgabe der Erfindung besteht deshalb darin, ein verbessertes Verfahren zur Herstellung eines SiC-Volumeneinkristalls sowie ein verbessertes einkristallines SiC-Substrat anzugeben.The object of the invention is therefore to provide an improved method for producing a SiC bulk single crystal and an improved monocrystalline SiC substrate.

Zur Lösung der das Verfahren betreffenden Aufgabe wird ein Verfahren entsprechend den Merkmalen des Anspruchs 1 angegeben. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren handelt es sich um ein solches zur Herstellung eines SiC-Volumeneinkristalls, bei dem der SiC-Volumeneinkristall bei einer Züchtungstemperatur von bis zu 2200°C mittels eines Sublimations züchtungsverfahrens hergestellt wird, und der SiC-Volumeneinkristall nach der Sublimationszüchtung thermisch nachbehandelt wird, wobei er auf eine Nachbehandlungstemperatur, die höher ist als die Züchtungstemperatur, gebracht wird. Der SiC-Volumeneinkristall wird vor der thermischen Nachbehandlung innerhalb eines SiC-Pulvers platziert. Er ist während der thermischen Nachbehandlung vollständig von dem SiC-Pulver umgeben.To solve the problem relating to the method, a method according to the features of claim 1 is given. The method of the present invention is one for producing a SiC bulk single crystal in which the SiC bulk single crystal is produced at a growth temperature of up to 2200 ° C by a sublimation method, and the SiC bulk single crystal after the sublimation growth is thermally post-treated whereby it is brought to an after-treatment temperature which is higher than the cultivation temperature. The SiC bulk single crystal is placed within a SiC powder before the thermal aftertreatment. It is completely surrounded by the SiC powder during the thermal aftertreatment.

Es wurde erkannt, dass sich die Qualität des gezüchteten SiC-Volumeneinkristalls erheblich verbessern lässt, wenn der SiC-Volumeneinkristall nach Abschluss der Sublimationszüchtung und insbesondere vor einer Weiterbearbeitung einer thermischen Nachbehandlung in einem insbesondere weitgehend isothermen Temperaturfeld unterzogen wird, wobei die dabei vorgesehene Nachbehandlungstemperatur bevorzugt auf einen Wert von mehr als 2200°C eingestellt wird. Oberhalb dieser Züchtungstemperatur werden ggf. im SiC-Volumeneinkristall vorhandene mechanische Spannungen besonders gut durch thermisch aktivierte Versetzungsbewegungen abgebaut. Ein weiterer Effekt der thermischen Nachbehandlung ist die Verringerung der Versetzungsdichte, die sich ebenfalls durch die thermisch aktivierten Versetzungsbewegungen und/oder eine gegenseitige Auslöschung von (komplementären) Versetzungen ergibt. Aufgrund der erfindungsgemäß vorgesehenen thermischen Nachbehandlung oberhalb der Züchtungstemperatur werden also sowohl die mechanischen Spannungen als auch die globale Versetzungsdichte innerhalb des SiC-Volumeneinkristalls reduziert. Versetzungen im Kristallgitter sind bei der SiC-Sublimationszüchtung auftretende Defekte, die ebenfalls unerwünscht sind. Dank der thermischen Nachbehandlung erhält man also eine erheblich besser Kristallqualität. Außerdem ist es möglich, den SiC-Volumeneinkristall mit einem Stickstoffanteil zu dotieren, der insbesondere höher liegt als bei den bisher bekannten SiC-Volumeneinkristallen. Die Stickstoffdotierung im so hergestellten SiC-Volumeneinkristall liegt insbesondere bei mindestens 1·10¹⁹ cm^–3 und vorzugsweise so hoch, dass der SiC-Volumeneinkristall einen spezifischen elektrischen Widerstand von insbesondere höchstens 20 mΩcm hat. Die sich ggf. aufgrund dessen einstellenden mechanischen Spannungen werden während der thermischen Nachbehandlung wieder vollständig eliminiert oder zumindest erheblich reduziert, so dass eine Weiterbearbeitung ohne nennenswerte Gefahr von Rissbildung ohne weiteres möglich ist.It has been recognized that the quality of the bulk SiC bulk crystal can be significantly improved when the SiC bulk single crystal is subjected to thermal post-treatment in a particularly largely isothermal temperature field after completion of the sublimation growth, and the aftertreatment temperature provided is preferred a value of more than 2200 ° C is set. Above this cultivation temperature, any mechanical stresses present in the SiC bulk single crystal are degraded particularly well by thermally activated dislocation movements. Another effect of the thermal aftertreatment is to reduce the dislocation density, which is also due to the thermally activated dislocation movements and / or the mutual extinction of (complementary) dislocations. Due to the inventively provided thermal treatment above the growth temperature so both the mechanical stresses and the global dislocation density within the SiC bulk single crystal are reduced. Dislocations in the crystal lattice are defects that occur during SiC sublimation growth, which are also undesirable. Thanks to the thermal aftertreatment you get a much better crystal quality. In addition, it is possible to dope the SiC bulk single crystal with a nitrogen content, which is in particular higher than in the previously known SiC bulk single crystals. The nitrogen doping in the SiC bulk single crystal thus produced is in particular at least 1 × 10 ¹⁹ cm ^-3 and preferably so high that the SiC bulk single crystal has a specific electrical resistance of in particular at most 20 mΩcm. The possibly due to the adjusting mechanical stresses are completely eliminated again during the thermal treatment or at least significantly reduced, so that a further processing without significant risk of cracking is readily possible.

Bei hohen Temperaturen, insbesondere bei solchen über der Züchtungstemperatur, besteht eine gewisse Wahrscheinlichkeit, dass an der Oberfläche des thermisch nachbehandelten SiC-Volumeneinkristalls Si- und C-Atome abdampfen oder absublimieren. Dies kann insbesondere unstöchiometrisch erfolgen. Silizium verlässt das Kristallgitter leichter und schneller als Kohlenstoff. Dadurch kann sich die Oberflächenqualität des SiC-Volumeneinkristalls verschlechtern. Um ein solches unstöchiometrisches Abdampfen oder Absublimieren von der Oberfläche zu verhindern, wird der SiC-Volumeneinkristall während der thermischen Nachbehandlung in SiC-Pulver eingebettet. Dann erfolgt das (unstöchiometrische) Abdampfen oder Absublimieren primär aus dem SiC-Pulver. Insbesondere wird so auch ein Silizium-Gegendruck erzeugt, der einem unstöchiometrischen Abdampfen oder Absublimieren von der Oberfläche des eingebetteten SiC-Volumeneinkristalls entgegenwirkt. Somit kann der SiC-Volumeneinkristall länger zum Abbau mechanischer Spannungen thermisch nachbehandelt werden.At high temperatures, in particular at those above the growth temperature, there is a certain probability that Si and C atoms evaporate or sublime at the surface of the thermally treated SiC bulk single crystal. This can be done in particular unstoichiometrically. Silicon leaves the crystal lattice easier and faster than carbon. This may degrade the surface quality of the SiC bulk single crystal. In order to prevent such unstochiometric evaporation or sublimation from the surface, the SiC bulk single crystal is embedded in SiC powder during the thermal post-treatment. Then the (unstoichiometric) evaporation or sublimation takes place primarily from the SiC powder. In particular, a silicon backpressure is thus generated, which counteracts an unstoichiometric evaporation or sublimation of the surface of the embedded SiC bulk single crystal. Thus, the SiC bulk single crystal can be thermally aftertreated for degradation of mechanical stresses.

Insgesamt lassen sich mit dem erfidungsgemäßen Züchtungsverfahren also mechanisch sehr spannungs- und defektarme sowie elektrisch sehr niederohmige SiC-Volumeneinkristalle herstellen. Insbesondere können die so hergestellten SiC-Volumeneinkristalle mit einem deutlich niedrigeren spezifischen elektrischen Widerstand dimensioniert werden als konventionell hergestellte SiC-Volumeneinkristalle. Erfindungsgemäß hergestellte SiC-Volumeneinkristalle zeichnen sich durch eine höhere Qualität aus und lassen sich flexibler weiterverwenden, insbesondere zur Herstellung von Halbleiter-Bauelementen.Overall, it is therefore possible with the growth method according to the invention to produce very low-stress and low-defect as well as very low-resistance SiC bulk single crystals. In particular, the bulk SiC crystals produced in this way can be dimensioned with a significantly lower specific electrical resistance than conventionally produced SiC bulk single crystals. SiC bulk single crystals produced according to the invention are characterized by a higher quality and can be used more flexibly, in particular for the production of semiconductor components.

Gemäß einer besonderen Ausgestaltung wird ein globaler Temperaturunterschied innerhalb des SiC-Volumeneinkristalls während der thermischen Nachbehandlung auf höchstens 10 K, insbesondere auf höchstens 5 K, eingestellt. Innerhalb des SiC-Volumeneinkristalls beträgt der Temperaturunterschied dann also maximal 10 K, bzw. 5 K, wobei die Bereiche mit den beiden Temperaturextremwerten an beliebiger Stelle innerhalb des SiC-Volumeneinkristalls liegen können. Während der thermischen Nachbehandlung liegt im SiC-Volumeneinkristall also ein vorzugsweise weitgehend isothermes oder homogenes Temperaturfeld mit Temperaturschwankungen von insbesondere höchstens 5‰, vorzugsweise höchstens 2,5‰, vor. Unter diesen weitgehend isothermen Bedingungen gleichen sich die mechanischen Spannungen innerhalb des SiC-Volumeneinkristalls besonders gut aus.According to a particular embodiment, a global temperature difference within the SiC bulk single crystal during the thermal aftertreatment is set to at most 10 K, in particular to at most 5 K. Within the SiC bulk single crystal, the temperature difference is then a maximum of 10 K or 5 K, whereby the regions with the two temperature extremes can be located anywhere within the SiC bulk single crystal. During the thermal aftertreatment, the SiC bulk single crystal therefore has a preferably largely isothermal or homogeneous temperature field with temperature fluctuations of in particular at most 5 ‰, preferably at most 2.5 ‰. Under these largely isothermal conditions, the mechanical stresses within the SiC bulk single crystal balance out very well.

Gemäß einer weiteren besonderen Ausgestaltung wachst der SiC-Volumeneinkristall in Richtung einer Mittenlängsachse auf. Hierbei handelt es sich also um die Wachstumsrichtung des SiC-Volumeneinkristalls, die auch dessen axiale Richtung ist. Während der thermischen Nachbehandlung wird ein in Richtung der Mittenlängsachse gemessener axialer Temperaturunterschied innerhalb des SiC-Volumeneinkristalls auf höchstens 2 K, insbesondere auf höchstens 1 K, eingestellt. Während der Sublimationszüchtung ist wegen des Materialtransports von der SiC-Quelle zu dem aufwachsenden SiC-Volumeneinkristall in axialer Richtung ein vergleichsweise hoher Temperaturgradient vorgesehen, so dass es in dieser Richtung vermehrt zur Bildung von mechanischen Spannungen kommen kann. Insofern ist es vorteilhaft, während der thermischen Nachbehandlung in axialer Richtung besonders niedrige Temperaturunterschiede von insbesondere höchstens 1‰, vorzugsweise höchstens 0,5‰, vorzusehen, um einen Ausgleich der mechanischen Spannungen in dieser Richtung besonders zu begünstigen, und um Spannungsneubildungen gerade in dieser Richtung möglichst zu unterbinden.According to another particular embodiment, the SiC bulk single crystal grows in the direction of a central longitudinal axis. This is therefore the direction of growth of the SiC bulk single crystal, which is also its axial direction. During the thermal aftertreatment, an axial temperature difference measured in the direction of the central longitudinal axis within the SiC bulk single crystal is set to not more than 2 K, in particular to not more than 1 K. During the Sublimationszüchtung a relatively high temperature gradient is provided because of the material transport from the SiC source to the growing SiC bulk single crystal in the axial direction, so that in this direction can increasingly lead to the formation of mechanical stresses. In this respect, it is advantageous during the thermal aftertreatment in the axial direction to provide particularly low temperature differences of, in particular, at most 1 ‰, preferably at most 0.5 ‰, in order to favor a compensation of the mechanical stresses in this direction, and to create new tension in this direction as possible to prevent.

Gemäß einer weiteren besonderen Ausgestaltung wird eine Abkühlrate am Ende der thermischen Nachbehandlung auf höchstens 5 K/min, insbesondere auf höchstens 1 K/min, eingestellt. Auch das Abkühlen erfolgt insbesondere unter weitgehend isothermen Verhältnissen, also mit einem lokal weitgehend homogenen Temperaturfeld. Mittels der sehr geringen Abkühlrate wird verhindert, dass sich nach Abschluss der thermischen Nachbehandlung während der Abkühlphase erneut mechanische Spannungen bilden.According to a further particular embodiment, a cooling rate at the end of the thermal aftertreatment is set to at most 5 K / min, in particular to at most 1 K / min. The cooling is also largely under Isothermal conditions, ie with a locally largely homogeneous temperature field. By means of the very low cooling rate it is prevented that after completion of the thermal aftertreatment during the cooling phase again mechanical stresses form.

Gemäß einer weiteren besonderen Ausgestaltung wird für die thermische Nachbehandlung eine Nachbehandlungsdauer von mindestens 24 Stunden und von insbesondere höchstens 72 Stunden vorgesehen. Je länger die thermische Nachbehandlung dauert, umso besser gleichen sich die mechanischen Spannungen aus. Nach 24 Stunden ist bereits ein großer Teil dieses Ausgleichs abgeschlossen. Eine Nachbehandlungsdauer von 48 Stunden ist besonders effizient. Sie stellt einen guten Kompromiss zwischen dem Ausgleich möglichst vieler mechanischer Spannungen und einem möglichst geringen Zeitaufwand dar. Außerdem steigt bei einer zu langen Nachbehandlungsdauer die Gefahr, dass es zu einem unerwünschten Abdampfen oder Absublimieren von Si- und C-Atomen von der Oberfläche des SiC-Volumeneinkristalls kommt.According to a further particular embodiment, an after-treatment period of at least 24 hours and in particular no more than 72 hours is provided for the thermal aftertreatment. The longer the thermal aftertreatment lasts, the better the mechanical stresses are compensated. After 24 hours, a large part of this compensation is already complete. An aftertreatment time of 48 hours is particularly efficient. It represents a good compromise between the compensation of as many mechanical stresses as possible and the least possible expenditure of time. Moreover, if the after-treatment time is too long, there is a risk that unwanted evaporation or sublimation of Si and C atoms from the surface of the SiC and Volume single crystal comes.

Gemäß einer weiteren besonderen Ausgestaltung wird ein solches SiC-Pulver verwendet, das sich zumindest vor der thermischen Nachbehandlung aus SiC-Körnern zusammensetzt, von denen 50 Gew.-% (= Gewichtsprozent) eine Korngröße mit einem maximalen Korndurchmesser von höchstens 500 μm, insbesondere von höchstens 100 μm, haben. Dann haben alle SiC-Körner zusammen genommen eine vorteilhaft große Gesamtoberfläche, wodurch das (unstöchiometrische) Abdampfen oder Absublimieren aus dem SiC-Pulver und damit der Aufbau des erwünschten Silizium-Gegendrucks begünstigt werden.According to another particular embodiment, such a SiC powder is used, which is composed at least before the thermal aftertreatment of SiC grains, of which 50 wt .-% (= weight percent) has a grain size with a maximum grain diameter of at most 500 .mu.m, in particular at most 100 microns, have. Then all SiC grains taken together have an advantageously large total surface, whereby the (unstoichiometric) evaporation or sublimation from the SiC powder and thus the structure of the desired silicon backpressure are favored.

Gemäß einer weiteren besonderen Ausgestaltung wird ein solches SiC-Pulver verwendet, das zumindest vor der thermischen Nachbehandlung ein molares Verhältnis eines Kohlenstoff (C)-Anteils zu einem Silizium (Si)-Anteil im Bereich zwischen 0,9 und 1,1, vorzugsweise von 1, hat. Das SiC-Pulver hat dann eine elementare Zusammensetzung die dem stöchiometrischen Verhältnis der Elemente im SiC-Volumeneinkristall gleicht oder dem zumindest sehr nahe kommt. So wird gewährleistet, dass der SiC-Volumeneinkristall aufgrund seiner Einbettung in das SiC-Pulver während der thermischen Nachbehandlung nicht beeinträchtigt wird, zumindest nicht maßgeblich. Außerdem bewirkt das SiC-Pulver dann insbesondere genau den Silizium-Gegendruck, der ein unstöchiometrisches Abdampfen oder Absublimieren von der Oberfläche des eingebetteten SiC-Volumeneinkristalls sehr gut verhindert.According to a further particular embodiment, such a SiC powder is used which, at least before the thermal aftertreatment, has a molar ratio of a carbon (C) proportion to a silicon (Si) content in the range between 0.9 and 1.1, preferably 1, has. The SiC powder then has an elemental composition equal to or at least very close to the stoichiometric ratio of the elements in the SiC bulk single crystal. This ensures that the SiC bulk single crystal is not impaired during the thermal aftertreatment because of its incorporation into the SiC powder, at least not decisively. In addition, the SiC powder then specifically effects precisely the silicon backpressure which very well prevents unstochiometric evaporation or sublimation from the surface of the embedded SiC bulk single crystal.

Gemäß einer weiteren besonderen Ausgestaltung wird der SiC-Volumeneinkristall für die thermische Nachbehandlung in einem vollständig von einem thermischen Isolationsmaterial umgebenen Tiegel untergebracht. Dadurch wird erreicht, dass sich der SiC-Volumeneinkristall während der thermischen Nachbehandlung in einem weitgehend isothermen bzw. homogenen Temperaturfeld befindet. Lokale Temperaturschwankungen – auch sehr kleine – werden durch die thermische Isolation sehr gut unterbunden. Optional kann die thermische Isolation zumindest eine kleine Aussparung zur Messung der Temperatur im Inneren aufweisen.According to a further particular embodiment, the bulk SiC volume for the thermal aftertreatment is accommodated in a crucible completely surrounded by a thermal insulation material. This ensures that the SiC bulk single crystal is in a largely isothermal or homogeneous temperature field during the thermal aftertreatment. Local temperature fluctuations - even very small - are very well prevented by the thermal insulation. Optionally, the thermal insulation can have at least one small recess for measuring the temperature in the interior.

Zur Lösung der das einkristalline SiC-Substrat betreffenden Aufgabe wird ein SiC-Substrat entsprechend den Merkmalen des Anspruchs 9 angegeben. Bei dem erfindungsgemäßen einkristallinen SiC-Substrat handelt es sich um ein solches mit einer Substrathauptoberfläche und mit einer Substratdicke, wobei ein für eine beliebige 4 mm² große insbesondere quadratische Teilfläche der Substrathauptoberfläche und bezogen auf die Substratdicke ermittelter spezifischer elektrischer Widerstand kleiner als 20 mΩcm ist.In order to solve the problem concerning the monocrystalline SiC substrate, an SiC substrate according to the features of claim 9 is given. The monocrystalline SiC substrate according to the invention is one having a substrate main surface and a substrate thickness, wherein a specific electrical resistance determined for any 4 mm ² large, in particular square, partial surface of the substrate main surface and based on the substrate thickness is less than 20 mΩcm.

Insbesondere kann der niedrige spezifische Widerstandswert auch in Bezug auf die Substrathauptoberfläche insgesamt gelten. Das erfindungsgemäße SiC-Substrat hat also einen besonders niedrigen spezifischen elektrischen Widerstand und eignet sich hervorragend für Anwendungen, bei denen ein niederohmiges Substratverhalten gefordert wird. Bislang kamen für solche Anwendungen u. a. aufgrund des zu hohen Widerstands SiC-Substrate oft nicht in Frage. Das erfindungsgemäße Substrat kann folglich mit besonderem Vorteil eingesetzt werden, beispielsweise als Substrat zur Herstellung von Halbleiter-Bauelementen. Einkristalline SiC-Substrate mit einem so niedrigen elektrischen Widerstand gab es bislang nicht. Sie lassen sich erst aus SiC-Volumeneinkristallen erzeugen, die gemäß dem vorstehend beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahren bzw. dessen Ausgestaltungen hergestellt worden sind.In particular, the low resistivity value may also apply to the substrate main surface as a whole. The SiC substrate according to the invention thus has a particularly low electrical resistivity and is outstandingly suitable for applications in which a low-resistance substrate behavior is required. So far, such applications have u. a. Due to the high resistance SiC substrates are often out of the question. The substrate according to the invention can consequently be used with particular advantage, for example as substrate for the production of semiconductor components. Single-crystal SiC substrates with such low electrical resistance have not existed yet. They can first be produced from SiC bulk single crystals which have been produced in accordance with the above-described method according to the invention or its embodiments.

Gemäß einer besonderen Ausgestaltung beträgt der spezifische Widerstand höchstens 15 mΩcm. Das einkristalline SiC-Substrat weist dann also einen noch niedrigeren elektrischen Widerstand auf. Dadurch wird die Qualität und Weiterverwendbarkeit des SiC-Substrats zusätzlich verbessert.According to a particular embodiment, the specific resistance is at most 15 mΩcm. The monocrystalline SiC substrate then has an even lower electrical resistance. This further improves the quality and reusability of the SiC substrate.

Gemäß einer weiteren besonderen Ausgestaltung hat die Substrathauptoberfläche einen Durchmesser von mindestens 100 mm, und vorzugsweise von mindestens 150 mm. Je größer der Substratdurchmesser ist, umso effizienter kann das einkristalline SiC-Substrat beispielsweise für die Herstellung von Halbleiterbauelementen weiterverwendet werden. Dadurch sinken die Herstellungskosten für die Halbleiterbauelemente. Ein SiC-Substrat mit einem so großen Durchmesser kann mit Vorteil auch zur Herstellung von relativ großen Halbleiterbauelementen, die z. B. eine Grundfläche von etwa 1 cm² haben, verwendet werden. Da die Gefahr von mechanischen Spannungen und Rissbildungen mit zunehmendem Substratdurchmesser steigt, ist es gerade bei großen SiC-Substraten, die zur Erzielung eines niedrigen elektrischen Widerstands zusätzlich eine vergleichsweise hohe Dotierstoffkonzentration haben, besonders günstig, wenn während des Herstellungsprozesses die oben beschriebene thermische Nachbehandlung durchgeführt wird.According to a further particular embodiment, the substrate main surface has a diameter of at least 100 mm, and preferably of at least 150 mm. The larger the substrate diameter, the more efficiently the single-crystalline SiC substrate can be used, for example, for the production of semiconductor devices. This reduces the manufacturing costs for the semiconductor components. An SiC substrate with such a large diameter may also be advantageous for the production of relatively large semiconductor devices, the z. B. have a footprint of about 1 cm ² can be used. Since the risk of mechanical stresses and cracking increases with increasing substrate diameter, it is especially favorable for large SiC substrates, which have a comparatively high dopant concentration to achieve a low electrical resistance, if during the manufacturing process, the above-described thermal aftertreatment is performed ,

Gemäß einer weiteren besonderen Ausgestaltung hat die Substrathauptoberfläche einen Durchmesser von mindestens 150 mm und zusätzlich beträgt die Substratdicke höchstens 500 μm. Je niedriger die Substratdicke ist, umso mehr Substrate können aus einem SiC-Volumeneinkristall gewonnen werden. Auch dadurch wird die Effizienz bei der Herstellung von Halbleiterbauelementen gesteigert und es sinken die Herstellungskosten für die Halbleiterbauelemente. So große und dünne SiC-Substrate lassen sich insbesondere aus einem sehr spannungsarmen SiC-Volumeneinkristall gewinnen. Andernfalls kann es gerade bei einer sehr geringen Substratdicke zu Rissen und/oder zur vollständigen Zerstörung des SiC-Substrats kommen. Insofern begünstigt die oben beschriebene thermische Nachbehandlung zur Spannungsreduktion auch die Herstellung dünner SiC-Substrate.According to a further particular embodiment, the substrate main surface has a diameter of at least 150 mm and in addition the substrate thickness is at most 500 μm. The lower the substrate thickness, the more substrates can be obtained from a SiC bulk single crystal. This also increases the efficiency in the manufacture of semiconductor devices and reduces the manufacturing cost of the semiconductor devices. Such large and thin SiC substrates can be obtained in particular from a very stress-relieved SiC bulk single crystal. Otherwise, cracks and / or complete destruction of the SiC substrate can occur, especially with a very small substrate thickness. In this respect, the above-described thermal after-treatment for stress reduction also favors the production of thin SiC substrates.

Gemäß einer weiteren besonderen Ausgestaltung hat die Substrathauptoberfläche einen Durchmesser von mindestens 150 mm und zusätzlich beträgt eine für die gesamte Substrathauptoberfläche ermittelte globale Versetzungsdichte höchstens 10⁴ cm^–2. Die globale Versetzungsdichte gibt dabei insbesondere die in dem Kristallaufbau des einkristallinen SiC-Substrats vorhandenen und an der Substrathauptoberfläche insgesamt erfassbaren Versetzungen an, und zwar z. B. für Versetzungen eines Typs oder aber für sämtliche Versetzungen unabhängig vom jeweiligen Typ. Die Versetzungsdichte ist hier also eine flächenbezogene Größe. Das SiC-Substrat hat trotz des großen Substratdurchmessers aufgrund der thermischen Nachbehandlung des SiC-Volumeneinkristalls nur sehr wenige solcher die Weiterverwendbarkeit beeinträchtigenden Versetzungen.According to another particular embodiment, the substrate main surface has a diameter of at least 150 mm, and in addition, a global dislocation density determined for the entire substrate main surface is at most 10 ⁴ cm ^-2 . In this case, the global dislocation density indicates, in particular, the dislocations present in the crystal structure of the monocrystalline SiC substrate and detectable overall on the substrate main surface. For example, for dislocations of one type or for all dislocations regardless of the type. The dislocation density is therefore an area-related quantity. The SiC substrate, despite the large substrate diameter due to the thermal aftertreatment of the SiC bulk single crystal, only a very few of such reusability impairing dislocations.

Weitere Merkmale, Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung. Es zeigt:Further features, advantages and details of the invention will become apparent from the following description of exemplary embodiments with reference to the drawing. It shows:

1 ein Ausführungsbeispiel einer Züchtungsanordnung zur Herstellung eines SiC-Volumeneinkristalls mittels Sublimationszüchtung, 1 an embodiment of a cultivation arrangement for producing a SiC bulk single crystal by means of sublimation breeding,

2 ein Ausführungsbeispiel einer Anordnung zur thermischen Nachbehandlung eines mittels der Züchtungsanordnung gemäß 1 hergestellten SiC-Volumeneinkristalls, und 2 An embodiment of an arrangement for the thermal aftertreatment by means of the breeding arrangement according to 1 produced SiC bulk single crystal, and

3 ein Ausführungsbeispiel eines niederohmigen einkristallinen SiC-Substrats, das aus einem mittels der Züchtungsanordnung gemäß 1 gezüchteten und mittels der Anordnung gemäß 2 thermisch nachbehandelten SiC-Volumeneinkristall hergestellt ist, in einer Querschnittsdarstellung. 3 an embodiment of a low-resistance monocrystalline SiC substrate, which consists of a means of the cultivation arrangement according to 1 bred and by means of the arrangement according to 2 thermally aftertreated SiC bulk single crystal is produced, in a cross-sectional view.

Einander entsprechende Teile sind in den 1 bis 3 mit denselben Bezugszeichen versehen.Corresponding parts are in the 1 to 3 provided with the same reference numerals.

In 1 ist ein Ausführungsbeispiel einer Züchtungsanordnung 1 zur Herstellung eines SiC-Volumeneinkristalls 2 mittels Sublimationszüchtung dargestellt. Die Züchtungsanordnung 1 enthält einen Züchtungstiegel 3, der einen SiC-Vorratsbereich 4 sowie einen Kristallwachstumsbereich 5 umfasst. In dem SiC-Vorratsbereich 4 befindet sich beispielsweise pulverförmiges SiC-Quellmaterial 6, das als vorgefertigtes Ausgangsmaterial vor Beginn des Züchtungsprozesses in den SiC-Vorratsbereich 4 des Züchtungstiegels 3 eingefüllt wird.In 1 is an embodiment of a breeding arrangement 1 for producing a SiC bulk single crystal 2 shown by sublimation breeding. The breeding arrangement 1 contains a breeding pot 3 , which is a SiC storage area 4 and a crystal growth region 5 includes. In the SiC storage area 4 For example, there is powdery SiC source material 6 , as a ready-made starting material before the start of the breeding process in the SiC storage area 4 of the breeding knob 3 is filled.

An einer dem SiC-Vorratsbereich 4 gegenüberliegenden Innenwand des Züchtungstiegels 3 ist im Kristallwachstumsbereich 5 ein in 1 nicht explizit dargestellter defektfreier oder zumindest äußerst defektarmer Keimkristall angebracht. Auf diesem Keimkristall wächst der zu züchtende SiC-Volumeneinkristall 2 mittels Abscheidung aus einer im Kristallwachstumsbereich 5 sich ausbildenden SiC-Wachstumsgasphase 7 auf. Der aufwachsende SiC-Volumeneinkristall 2 und der Keimkristall haben in etwa den gleichen Durchmesser. Wenn überhaupt, ergibt sich eine Abweichung von höchstens 10%, um die der Durchmesser des Keimkristalls kleiner als der Durchmesser des SiC-Volumeneinkristalls 2 ist.At one of the SiC storage area 4 opposite inner wall of the breeding knob 3 is in the crystal growth range 5 a in 1 not explicitly shown defect-free or at least extremely low-defect seed crystal attached. On this seed crystal grows to be grown SiC bulk single crystal 2 by deposition from one in the crystal growth region 5 forming SiC growth gas phase 7 on. The growing SiC bulk single crystal 2 and the seed crystal are approximately the same diameter. If anything, there is a deviation of at most 10%, by which the diameter of the seed crystal is smaller than the diameter of the SiC bulk single crystal 2 is.

Der Züchtungstiegel 3 besteht bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 1 aus einem elektrisch und thermisch leitfähigen Graphit-Tiegelmaterial mit einer Dichte von z. B. mindestens 1,75 g/cm³. Um ihn herum ist eine thermische Isolationsschicht 8 angeordnet. Letztere besteht z. B. aus einem schaumartigen Graphit-Isolationsmaterial, dessen Porosität insbesondere deutlich höher ist als die des Graphit-Tiegelmaterials.The breeding pot 3 exists in the embodiment according to 1 of an electrically and thermally conductive graphite crucible material having a density of z. B. at least 1.75 g / cm ³ . Around it is a thermal insulation layer 8th arranged. The latter consists for. Example of a foam-like graphite insulation material whose porosity is particularly significantly higher than that of the graphite crucible material.

Der thermisch isolierte Züchtungstiegel 3 ist innerhalb eines rohrförmigen Behälters 9 platziert, der beim Ausführungsbeispiel als Quarzglasrohr aus geführt ist und einen Autoklaven oder Reaktor bildet. Zur Beheizung des Züchtungstiegels 3 ist um den Behälter 9 ist eine induktive Heizeinrichtung in Form einer Heizspule 10 angeordnet. Die Heizspule 10 koppelt einen elektrischen Strom induktiv in eine elektrisch leitfähige Tiegelwand 11 des Züchtungstiegels 3 ein. Dieser elektrische Strom fließt im Wesentlichen als Kreisstrom in Umfangsrichtung innerhalb der kreis- und hohlzylindrischen Tiegelwand 11 und heizt dabei den Züchtungstiegel 3 auf. Bei Bedarf kann die relative Position zwischen der Heizspule 10 und dem Züchtungstiegel 3 axial, d. h. in die Richtung einer Mittenlängsachse 12 des aufwachsenden SiC-Volumeneinkristalls 2, verändert werden, insbesondere um die Temperatur bzw. den Temperaturverlauf innerhalb des Züchtungstiegels 3 einzustellen und ggf. auch zu verändern. Der Züchtungstiegel 3 wird mittels der Heizspule 10 auf Züchtungstemperaturen von mehr als 2000°C, insbesondere auf etwa 2200°C, erhitzt.The thermally isolated breeding crucible 3 is inside a tubular container 9 placed, which is performed in the embodiment of a quartz glass tube and forms an autoclave or reactor. To heat the breeding crucible 3 is around the container 9 is an inductive heating device in the form of a heating coil 10 arranged. The heating coil 10 inductively couples an electrical current into an electrically conductive crucible wall 11 of growth crucible 3 one. This electrical current flows essentially as a circular current in the circumferential direction within the circular and hollow cylindrical crucible wall 11 and heats the breeding pot 3 on. If necessary, the relative position between the heating coil 10 and the breeding pot 3 axially, ie in the direction of a central longitudinal axis 12 of the growing SiC bulk single crystal 2 , be changed, in particular to the temperature or the temperature profile within the breeding crucible 3 adjust and if necessary to change. The breeding pot 3 is by means of the heating coil 10 at cultivation temperatures of more than 2000 ° C, in particular to about 2200 ° C, heated.

Die SiC-Wachstumsgasphase 7 im Kristallwachstumsbereich 5 wird durch das SiC-Quellmaterial 6 gespeist. Die SiC-Wachstumsgasphase 7 enthält zumindest Gasbestandteile in Form von Si, Si₂C und SiC₂ (= SiC-Gasspezies). Der Transport vom SiC-Quellmaterial 6 zur Wachstumsgrenzfläche am aufwachsenden SiC-Volumeneinkristall 2 erfolgt längs eines Temperaturgradienten. Die Temperatur innerhalb des Züchtungstiegels 3 nimmt zu dem aufwachsenden SiC-Volumeneinkristall 2 hin ab. Der SiC-Volumeneinkristall 2 wächst in einer Wachstumsrichtung 13, die im in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel von oben nach unten, also von der oberen Wand des Züchtungstiegels 3 zu dem unten angeordneten SiC-Vorratsbereich 4, orientiert ist. Die Wachstumsrichtung 13 verläuft parallel zu der zentralen Mittenlängsachse 12. Da der aufwachsende SiC-Volumeneinkristall 2 bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel konzentrisch innerhalb der Züchtungsanordnung 1 angeordnet ist, kann die zentrale Mittenlängsachse 12 auch der Züchtungsanordnung 1 insgesamt zugeordnet werden.The SiC growth gas phase 7 in the crystal growth area 5 becomes through the SiC source material 6 fed. The SiC growth gas phase 7 contains at least gas components in the form of Si, Si ₂ C and SiC ₂ (= SiC gas species). The transport from the SiC source material 6 to the growth interface at the growing SiC bulk single crystal 2 takes place along a temperature gradient. The temperature within the breeding knob 3 increases to the growing SiC bulk single crystal 2 down. The SiC bulk single crystal 2 grows in a growth direction 13 in the in 1 shown embodiment from top to bottom, ie from the upper wall of the breeding crucible 3 to the bottom SiC storage area 4 , is oriented. The growth direction 13 runs parallel to the central central longitudinal axis 12 , As the growing SiC bulk single crystal 2 in the embodiment shown concentrically within the breeding arrangement 1 can be arranged, the central center longitudinal axis 12 also the breeding arrangement 1 be assigned in total.

Außerdem enthält die SiC-Wachstumsgasphase 7 auch in der Darstellung gemäß 1 nicht näher gezeigte Dotierstoffe, bei denen es sich im Ausführungsbeispiel um Stickstoff (N₂) handelt. Die Zuführung erfolgt entweder gasförmig oder über das dann dementsprechend vorbehandelte SiC-Quellmaterial 6. Der Stickstoffanteil in der SiC-Wachstumsgasphase 7 wird dabei so eingestellt, dass die Stickstoffdotierung des aufwachsenden SiC-Volumeneinkristalls 2 so groß ist, dass der aufwachsende SiC-Volumeneinkristall 2 einen sehr niedrigen spezifischen elektrischen Widerstand von nur etwa 15 mΩcm hat.In addition, the SiC growth gas phase contains 7 also in the illustration according to 1 Dopants not shown in detail, which in the exemplary embodiment is nitrogen (N ₂ ). The supply is either gaseous or via the then pretreated SiC source material 6 , The nitrogen content in the SiC growth gas phase 7 is adjusted so that the nitrogen doping of the growing SiC bulk single crystal 2 so great is that the growing SiC bulk single crystal 2 has a very low resistivity of only about 15 mΩcm.

In 2 ist ein Ausführungsbeispiel einer Nachbehandlungsanordnung 14 dargestellt, die sehr ähnlich wie die Züchtungsanordnung 1 aufgebaut ist. Sie enthält ebenfalls einen Tiegel 15, der aus einem Graphitmaterial besteht und der mit einer thermischen Isolation 16, ähnlich der thermischen Isolationsschicht 8, umgeben ist. Der so thermisch isolierte Tiegel 15 ist wiederum in dem rohrförmigen Behälter 9 (= Autoklav) angeordnet, der von der induktiven Heizspule 10 umgeben ist. Die thermische Isolation 16 enthält zwei Pyrometerkanäle 17, die zur Erfassung einer Temperatur im Inneren der thermischen Isolation 16 bestimmt sind. Um das Temperaturfeld innerhalb der thermischen Isolation 16 möglichst wenig zu beeinflussen und um ein möglichst isothermes Temperaturfeld zu gewährleisten, sind die im thermischen Isolationsmaterial zur Ausbildung der Pyrometerkanäle 17 vorgesehenen Aussparungen nur sehr klein ausgeführt. Sie haben einen Durchmesser von maximal 15 mm.In 2 is an embodiment of a post-treatment arrangement 14 presented, which is very similar to the breeding arrangement 1 is constructed. It also contains a crucible 15 , which consists of a graphite material and that with a thermal insulation 16 , similar to the thermal insulation layer 8th , is surrounded. The thermally insulated crucible 15 is again in the tubular container 9 (= Autoclave) arranged by the inductive heating coil 10 is surrounded. The thermal insulation 16 contains two pyrometer channels 17 , which detect a temperature inside the thermal insulation 16 are determined. To the temperature field within the thermal insulation 16 To influence as little as possible and to ensure the most isothermal temperature field are those in the thermal insulation material to form the Pyrometerkanäle 17 provided recesses run very small. They have a maximum diameter of 15 mm.

Diese Pyrometerkanäle 17 sind aber nur optional. Bei Bedarf können sie auch entfallen. Dann ist der Tiegel 15 vollständig von thermischem Isolationsmaterial umgeben und die Temperatureinstellung und -kontrolle erfolgt indirekt über die Leistungsregelung der Heizspule 10.These pyrometer channels 17 but are only optional. If necessary, they can also be omitted. Then the crucible 15 completely surrounded by thermal insulation material and the temperature setting and control is done indirectly via the power control of the heating coil 10 ,

Im Inneren des Tiegels 15 ist der mittels der Züchtungsanordnung 1 hergesellte SiC-Volumeneinkristall 2 angeordnet. Im Gegensatz zur Züchtungsanordnung 1 befindet sich der SiC-Volumeneinkristall 2 aber bei der Nachbehandlungsanordnung 14 nicht in unmittelbarem Kontakt mit der Tiegelwand 18, auch nicht mittelbar über einen Keimkristall. Stattdessen ist der SiC-Volumeneiskristall 2 überall beabstandet zu der Tiegelwand 18 bei ansonsten in etwa gleicher Ausrichtung wie in der Züchtungsanordnung 1, d. h. mit im Wesentlichen paralleler Orientierung der Mittenlängsachse 12 zur zentralen Achse der Heizspule 10 und auch konzentrisch zur Heizspule 10, angeordnet. Der SiC-Volumeneinkristall 2 ist innerhalb eines in den Tiegel 15 eingefüllten SiC-Pulvers 19 platziert und vollständig von diesem SiC-Pulver 19 umgeben. Insofern sind die Querabmessungen, d. h. die bezogen auf die Mittenlängsachse 12 radialen Abmessungen, des Tiegels 15 größer als diejenigen des Züchtungstiegels 3.Inside the crucible 15 is the means of breeding order 1 produced SiC bulk single crystal 2 arranged. In contrast to the breeding order 1 is the SiC bulk single crystal 2 but in the post-treatment arrangement 14 not in direct contact with the crucible wall 18 , also not indirectly via a seed crystal. Instead, the SiC volume ice crystal is 2 spaced everywhere to the crucible wall 18 otherwise in approximately the same orientation as in the breeding arrangement 1 ie with substantially parallel orientation of the central longitudinal axis 12 to the central axis of the heating coil 10 and also concentric with the heating coil 10 arranged. The SiC bulk single crystal 2 is inside one in the crucible 15 filled SiC powder 19 placed and completely of this SiC powder 19 surround. In this respect, the transverse dimensions, ie related to the center longitudinal axis 12 radial dimensions of the crucible 15 greater than those of the breeding knob 3 ,

Das SiC-Pulver 19 hat ein molares Verhältnis zwischen Kohlenstoff zu Silizium (C:Si) von in etwa 1 entsprechend dem stöchiometrischen Verhältnis von Kohlenstoff und Silizium in dem SiC-Volumeneinkristall 2. Außerdem setzt sich das SiC-Pulver 19 aus Pulverkörnern zusammen, von denen 50 Gew.-% einen maximalen Korndurchmesser von höchstens 100 μm haben.The SiC powder 19 has a molar ratio of carbon to silicon (C: Si) of about 1 corresponding to the stoichiometric ratio of carbon and silicon in the SiC bulk single crystal 2 , In addition, the SiC powder settles 19 composed of powder grains, of which 50 wt .-% have a maximum grain diameter of at most 100 microns.

Der SiC-Volumeneinkristall 2 wird in der Nachbehandlungsanordnung 14 thermisch nachbehandelt, wobei er für eine Behandlungsdauer von typischerweise 48 Stunden einer Temperatur von über 2200°C, also einer Temperatur oberhalb der Züchtungstemperatur, ausgesetzt wird. Dabei werden mechanische Spannungen, die sich innerhalb des SiC-Volumeneinkristalls 2, beispielsweise während der Abkühlphase nach Abschluss der Sublimationszüchtung in der Züchtungsanordnung 1 ergeben haben, durch thermisch aktivierte Versetzungsbewegungen wieder ausgeglichen. Zugleich reduziert sich auch die Versetzungsdichte. Während der thermischen Nachbehandlung befindet sich der SiC-Volumeneinkristall 2 in einem möglichst homogenen, d. h. möglichst isothermen Temperaturfeld, mit einem bezogen auf den kompletten SiC-Volumeneinkristall 2 maximalen Temperaturunterschied von typischerweise 5 K und bezogen auf die axiale Richtung, also die Wachstumsrichtung 13, axialen Temperaturunterschied von typischerweise 1 K. Nach Abschluss der thermischen Behandlung erfolgt die Abkühlphase vergleichsweise langsam mit einer Abkühlrate von typischerweise 1 K/min.The SiC bulk single crystal 2 is in the aftertreatment arrangement 14 thermally treated, being exposed to a temperature of over 2200 ° C, ie a temperature above the culture temperature for a treatment period of typically 48 hours. In the process, mechanical stresses are generated within the SiC bulk single crystal 2 For example, during the cooling phase after completion of Sublimationszüchtung in the breeding arrangement 1 have been compensated by thermally activated dislocation movements again. At the same time, the dislocation density is reduced. During the thermal aftertreatment is the SiC bulk single crystal 2 in a homogeneous as possible, that is possible isothermal temperature field, with respect to the complete SiC volume single crystal 2 maximum temperature difference of typically 5 K and with respect to the axial direction, ie the direction of growth 13 , axial temperature difference of typically 1 K. After completion of the thermal treatment, the cooling phase takes place comparatively slowly with a cooling rate of typically 1 K / min.

Aufgrund dieser thermischen Nachbehandlung hat sich die Qualität des SiC-Volumeneinkristalls 2 erheblich verbessert. Er ist dann sehr spannungs- und versetzungsarm.Due to this thermal aftertreatment, the quality of the SiC bulk single crystal has increased 2 significantly improved. He is then very tension and Versetzungsarm.

Aus einem mittels der Züchtungsanordnung 1 hergestellten und danach mittels der Nachbehandlungsanordnung 14 thermisch behandelten SiC-Volumeneinkristalls 2 lassen sich einkristalline SiC-Substrate 20 erzeugen, die ebenfalls sehr günstige mechanische und elektrische Eigenschaften haben. Sie sind groß und dünn und ebenso wie der SiC-Volumeneinkristall sehr spannungs- und defektarm. Außerdem sind sie mit einem spezifischen elektrischen Widerstand von 15 mΩcm vergleichsweise niederohmig. Alle derartigen einkristallinen SiC-Substrate 20, von denen ein Ausführungsbeispiel in einer Querschnittsdarstellung gemäß 3 gezeigt ist, werden aus dem SiC-Volumeneinkristall 2 dadurch gewonnen, dass sie axial sukzessive als Scheiben senkrecht zur Wachstumsrichtung 13 bzw. zur Mittenlängsachse 12 abgeschnitten bzw. abgesägt werden. Diese SiC-Substrate 20 haben neben dem bereits erwähnten niedrigen elektrischen Widerstand auch eine sehr niedrige Versetzungsdichte von höchstens 10⁴ cm^–2. Außerdem hat ihre jeweilige Substrathauptoberfläche 21 einen großen Substratdurchmesser D von 150 mm, wohingegen eine Substratdicke t bei dem niedrigen Wert von nur etwa 500 μm liegt.From one by means of the breeding arrangement 1 and then by means of the aftertreatment arrangement 14 thermally treated SiC bulk single crystal 2 can be monocrystalline SiC substrates 20 generate, which also have very favorable mechanical and electrical properties. They are large and thin and, like the SiC bulk single crystal, very low in voltage and defect. In addition, they are comparatively low-resistance with a specific electrical resistance of 15 mΩcm. All such monocrystalline SiC substrates 20 of which an embodiment in a cross-sectional view according to 3 are shown to be made of the SiC bulk single crystal 2 obtained by axially successive slices perpendicular to the direction of growth 13 or to the center longitudinal axis 12 be cut off or sawn off. These SiC substrates 20 In addition to the already mentioned low electrical resistance also have a very low dislocation density of at most 10 ⁴ cm ^-2 . In addition, their respective substrate main surface has 21 a large substrate diameter D of 150 mm, whereas a substrate thickness t is at the low value of only about 500 μm.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11: Züchtungsanordnungbreeding arrangement
22: SiC-VolumeneinkristallSiC bulk
33: Züchtungstiegelgrowth crucible
44: SiC-VorratsbereichSiC supply region
55: KristallwachstumsbereichCrystal growth area
66: Pulverförmiges SiC-QuellmaterialPowdery SiC source material
77: SiC-WachstumsgasphaseSiC growth gas phase
88th: Thermische IsolationsschichtThermal insulation layer
99: Rohförmiger Behälter (Autoklav)Rohförmiger container (autoclave)
1010: Heizspuleheating coil
1111: Tiegelwandcrucible wall
1212: Mittenlängsachsecentral longitudinal axis
1313: Wachstumsrichtunggrowth direction
1414: Nachbehandlungsanordnungaftertreatment arrangement
1515: Tiegelcrucible
1616: Thermische IsolationThermal insulation
1717: PyrometerkanalPyrometerkanal
1818: Tiegelwandcrucible wall
1919: SiC-PulverSiC powder
2020: SiC-SubstratSiC substrate
2121: SubstrathauptoberflächeSubstrate main surface

Claims

Method for producing a SiC bulk single crystal ( 2 ), where a) the SiC bulk single crystal ( 2 ) is produced at a growth temperature of up to 2200 ° C by a sublimation growing method, b) the SiC bulk single crystal ( 2 after the sublimation growth, being brought to an after-treatment temperature higher than the growth temperature, and c) the SiC bulk single crystal ( 2 ) before the thermal aftertreatment within a SiC powder ( 19 ) and during the thermal aftertreatment completely from the SiC powder ( 19 ) is surrounded.

A method according to claim 1, characterized in that a global temperature difference within the SiC bulk single crystal ( 2 ) during thermal treatment at most 10 K, in particular at most 5 K.

Process according to Claim 1 or 2, characterized in that the SiC bulk single crystal ( 2 ) in the direction of a central longitudinal axis ( 12 ) and one in the direction of the central longitudinal axis ( 12 ) measured axial temperature difference within the SiC bulk single crystal ( 2 ) during thermal treatment at most 2 K, in particular at most 1 K.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that a cooling rate at the end of the thermal aftertreatment is at most 5 K / min, in particular at most 1 K / min.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that an after-treatment period of at least 24 hours and in particular at most 72 hours is provided for the thermal after-treatment.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the SiC powder ( 19 ) composed at least before the thermal post-treatment of SiC grains, of which 50 wt .-% have a particle size with a maximum grain diameter of at most 500 .mu.m, in particular of at most 100 .mu.m.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that for the SiC powder ( 19 ) is provided, at least before the thermal aftertreatment, a molar ratio of a C content to an Si content in the range between 0.9 and 1.1, preferably of 1.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the SiC bulk single crystal ( 2 ) for the thermal aftertreatment in a completely of a thermal insulation material ( 16 ) surrounded crucible ( 15 ) is housed.

Single-crystal SiC substrate with a substrate main surface ( 21 ) and a substrate thickness (t), one for any 4 mm ² large particular square partial surface of the substrate main surface ( 21 ) and based on the substrate thickness (t) determined specific electrical resistance is less than 20 mΩcm.

SiC substrate according to claim 9, characterized in that the resistivity is less than 15 mΩcm.

SiC substrate according to claim 9 or 10, characterized in that the substrate main surface ( 21 ) has a diameter (D) of at least 100 mm, and preferably of at least 150 mm.

SiC substrate according to one of claims 9 to 11, characterized in that the substrate main surface ( 21 ) has a diameter (D) of at least 150 mm and the substrate thickness (t) is at most 500 μm.

SiC substrate according to one of claims 9 to 12, characterized in that the substrate main surface ( 21 ) has a diameter (D) of at least 150 mm and one for the entire substrate main surface ( 21 ) has a global dislocation density of at most 10 ⁴ cm ^-2 .